Gistologia_Uchebnik_Afanasyev

Реснички и жгутики

Это специальные органеллы движения, встречающиеся в некоторых клетках различных организмов. В световом микроскопе эти структуры вы­ глядят как тонкие выросты клетки. В основании ресничек (cilium) и жгути­ ка (flagellum) в цитоплазме видны хорошо красящиеся мелкие гранулы — базальные тельца (corpusculum basale). Длина ресничек 5—10 мкм, а длина жгутиков может достигать 150 мкм (см. рис. 40, В).

Ресничка представляет собой тонкий цилиндрический вырост цитоплаз­ мы с постоянным диаметром 300 нм. Этот вырост от основания до самой его верхушки покрыт плазматической мембраной. Внутри выроста располо­ жена аксонема ("осевая нить") — сложная структура, состоящая в основном из микротрубочек. Проксимальная часть реснички (базальное тело) погру­ жена в цитоплазму. Диаметры аксонемы и базального тельца одинаковы (около 200 нм).

Базальное тельце по своей структуре очень сходно с центриолью. Оно также состоит из 9 триплетов микротрубочек. Часто в основании реснички лежит пара базальных телец, располагающихся под прямым углом друг к другу, подобно диплосоме — центриоли.

Аксонема (filamentum axiale) в своем составе имеет в отличие от базально­ го тельца или центриоли 9 дублетов микротрубочек, образующих стенку ци­ линдра аксонемы и связанных друг с другом с помощью белковых вырос­ тов — "ручек". Кроме периферических дублетов микротрубочек, в центре аксонемы располагается пара центральных микротрубочек. В целом систему микротрубочек реснички описывают как (9 х 2) + 2 в отличие от (9 х 3) + 0 системы центриолей и базальных телец. Базальное тельце и аксонема струк­ турно связаны друг с другом и составляют единое целое: две микротрубочки триплетов базального тельца являются микротрубочками дублетов аксо­ немы.

Свободные клетки, имеющие реснички и жгутики, обладают способно­ стью двигаться, а неподвижные клетки движением ресничек могут переме­ щать жидкость и корпускулярные частицы. При движении ресничек и жгу­ тиков длина их не уменьшается, поэтому неправильно называть это движе­ ние сокращением. Траектория движения ресничек очень разнообразна. В различных клетках это движение может быть маятникообразным, крючко­ образным или волнообразным.

Основной белок ресничек — тубулин — неспособен к сокращению, уко­ рочению. Движение ресничек осуществляется за счет активности белка динеина, локализованного в "ручках" дублетов микротрубочек. Незначитель­ ные смещения дублетов микротрубочек друг относительно друга вызывают изгиб всей реснички, а если такое локальное смещение будет происходить вдоль жгутика, то возникает волнообразное его движение. Дефекты ресни­ чек могут приводить к различным видам патологии, например к наследст­ венному рецидивирующему бронхиту и хроническому синуситу, возникаю­ щим в результате нарушений функции ресничного эпителия. Дефекты жгу­ тиков встречаются при различных формах наследственного мужского бес­ плодия.

71

В состав хроматина входит ДНК в комплексе с белками. Хроматин ин­ терфазных ядер представляет собой хромосомы, которые, однако, теряют в это время свою компактную форму, разрыхляются, деконденсируются. Сте­ пень такой деконденсации хромосом может быть различной. Зоны полной деконденсации хромосом и их участков морфологи называют эухроматином (euchromatinum). При неполном разрыхлении хромосом в интерфазном ядре видны участки конденсированного хроматина, иногда называемого гетеро­ хроматином (heterochromatinum). Степень деконденсации хромосомного ма­ териала — хроматина в интерфазе может отражать функционалыгую нагруз­ ку этой структуры. Чем "диффузнее" распределен хроматин в интерфазном ядре, тем интенсивнее в нем синтетические процессы.

Максимально конденсирован хроматин во время митотического деления клеток, когда он обнаруживается в виде плотных телец — хромосом.

В этот период хромосомы не выполняют никаких синтетических функ­ ций, в них не происходит включения предшественников ДНК и РНК.

Таким образом, хромосомы клеток могут находиться в двух структурно­ функциональных состояниях: в активном, рабочем, частично или полно­ стью деконденсированном, когда с их участием в интерфазном ядре проис­ ходят процессы транскрипции и редупликации, и в неактивном, в состоя­ нии метаболического покоя при максимальной их конденсированности, ко­ гда они выполняют функцию распределения и переноса генетического ма­ териала в дочерние клетки.

Наблюдения за структурой хроматина с помощью электронного микро­ скопа показали, что как в препаратах выделенного интерфазного хроматина или выделенных митотических хромосом, так и в составе ядра на ультратонких срезах всегда видны элементарные хромосомные фибриллы толщиной 20—25 нм.

В химическом отношении фибриллы хроматина представляют собой сложные комплексы дезоксирибонуклеопротеидов (ДНП), в состав которых входят ДНК и специальные хромосомные белки — гистоновые и негистоновые. В составе хроматина обнаруживается также РНК. Количественные от­ ношения ДНК, белка и РНК составляют 1:1,3:0,2. Обнаружено, что длина индивидуальных линейных молекул ДНК может достигнуть сотен микро­ метров и даже сантиметров. Среди хромосом человека самая большая пер­ вая хромосома содержит ДНК с общей длиной до 4 см. Суммарная длина молекул ДНК во всех хромосомах одной клетки человека составляет около 170 см, что соответствует 6 • 10"1 г.

В хромосомах существует множество мест независимой репликации, т. е. удвоения ДНК — репликонов. ДНК эукариотических хромосом представляют собой линейные молекулы, состоящие из тандемно (друг за другом) распо­ ложенных репликонов разного размера. Средний размер репликона около 30 мкм. В составе генома человека должно встречаться более 50 000 репли­ конов, участков ДНК, которые синтезируются как независимые единицы. Синтез ДНК как на участках отдельной хромосомы, так и среди разных хромосом идет неодновременно, асинхронно. Так, например, в некоторых хромосомах человека (1, 3, 16) репликация наиболее интенсивно начинается в плечах хромосом и заканчивается (при высокой интенсивности включе­ ния метки) в центромерном районе (см. ниже). Наиболее поздно реплика­ ция заканчивается в хромосомах или в их участках, находящихся в компакт­ ном, конденсированном состоянии. Таким примером может являться позд­

75

няя репликация генетически инактивированной Х-хромосомы у женщин, формирующей в ядре компактное тельце полового хроматина.

Белки хроматина составляют 60—70 % от его сухой массы. К ним отно­ сятся так называемые гистоны и негистоновые белки. Негистоновые белки составляют 20 % от количества гистонов. Гистоны — щелочные белки, обо­ гащенные основными аминокислотами (главным образом лизином и арги­ нином). Очевидна структурная роль гистонов, которые не только обеспечи­ вают специфическую укладку хромосомной ДНК, но и имеют значение в регуляции транскрипции. Гистоны расположены по длине молекулы ДНК не равномерно, а в виде блоков. В один такой блок входят 8 молекул гисто­ нов, образуя так называемую нуклеосому. Размер нуклеосомы около 10 нм. При образовании нуклеосом происходит компактизация, сверхспирализация ДНК, что приводит к укорачиванию длины хромосомной фибриллы примерно в 7 раз. Сама же хромосомная фибрилла имеет вид нитки бус или четок, где каждая бусина — нуклеосома. Такие фибриллы толщиной 10 нм дополнительно продольно конденсируются и образуют основную элемен­ тарную фибриллу хроматина толщиной 25 нм.

Винтерфазе фибриллы хроматина образуют петли. Эти петли собраны в розетки, где основания нескольких петель связаны друг с другом негистоновыми белками ядерного матрикса. Такие петлевые группы (петлевые доме­ ны) при падении активности хроматина могут конденсироваться, уплот­ няться, образуя так называемые хромомеры или хромоцентры интерфазных ядер. Хромомеры выявляются также в составе митотических хромосом.

Вядрах, кроме хроматиновых участков и матрикса, обнаруживаются перихроматиновые фибриллы, перихроматиновые и интерхроматиновые гра­ нулы. Они содержат РНК и встречаются практически во всех активных яд­ рах, представляют собой информационные РНК, связанные с белками, — рибонуклеопротеиды (информосомы). Матрицами для синтеза этих РНК являются разные гены, разбросанные по деконденсированным участкам хромосомных (хроматиновых) фибрилл.

Особый тип матричной ДНК, а именно ДНК для синтеза рибосомной РНК, собран обычно в нескольких компактных участках, входящих в состав ядрышек интерфазных ядер.

Ядрышко

Практически во всех живых клетках эукариотических организмов в ядре видно одно или несколько обычно округлой формы телец величиной 1— 5 мкм, сильно преломляющих свет, — это ядрышко, или нуклеола (nucleolus). К общим свойствам ядрышка относится способность хорошо окрашиваться различными красителями, особенно основными. Такая базофилия опреде­ ляется тем, что ядрышки богаты РНК. Ядрышко — самая плотная структура ядра — является производным хромосомы, одним из ее локусов с наиболее высокой концентрацией и активностью синтеза РНК в интерфазе. Оно не является самостоятельной структурой или органеллой.

В настоящее время известно, что ядрышко — это место образования рибосомных РНК (рРНК) и рибосом, на которых происходит синтез полипептидных цепей в цитоплазме.

Образование ядрышек и их число связаны с активностью и числом опре­

76

деленных участков хромосом — ядрышковых организаторов, которые распо­ ложены большей частью в зонах вторичных перетяжек; количество ядрышек в клетках данного типа может изменяться за счет слияния ядрышек или за счет изменения числа хромосом с ядрышковыми организаторами. ДНК яд­ рышкового организатора представлена множественными (несколько сотен) копиями генов рРНК: на каждом из этих генов синтезируется высокомоле­ кулярный предшественник РНК, который превращается в более короткие молекулы РНК, входящие в состав субъединиц рибосомы.

Схему участия ядрышек в синтезе цитоплазматических белков можно представить следующим образом: на ДНК ядрышкового организатора обра­ зуется предшественник рРНК, который в зоне ядрышка одевается белком, здесь происходит сборка рибонуклеопротеидных частиц —* субъединиц ри­ босом; субъединицы, выходя из ядрышка в цитоплазму, организуются в ри­ босомы и участвуют в процессе синтеза белка.

Ядрышко неоднородно по своему строению: в световом микроскопе можно видеть его тонковолокнистую организацию. В электронном микро­ скопе выявляются два основных компонента: гранулярный и фибриллярный (рис. 21, Б). Диаметр гранул около 15—20 нм, толщина фибрилл 6—8 нм.

Фибриллярный компонент может быть сосредоточен в виде центральной части ядрышка, а гранулярный — по периферии. Часто гранулярный компо­ нент образует нитчатые структуры — нуклеолонемы толщиной около 0,2 мкм. Фибриллярный компонент ядрышек представляет собой рибонуклеопротеидные тяжи предшественников рибосом, а гранулы — созревающие субъ­ единицы рибосом. В зоне фибрилл можно выявить участки ДНК ядрышко­ вых организаторов. Они представлены так называемыми фибриллярными центрами, по периферии которых происходит синтез рРНК.

Ультраструктура ядрышек зависит от активности синтеза РНК: при вы­ соком уровне синтеза рРНК в ядрышке выявляется большое число гранул, при прекращении синтеза количество гранул снижается, ядрышки превра­ щаются в плотные фибриллярные тельца базофильной природы.

Действие многих веществ (акгиномицин, митомицин, ряд канцероген­ ных углеводородов, циклогексимид, гидрооксимочевина и др.) вызывает в клетках падение интенсивности ряда синтезов и в первую очередь активно­ сти ядрышек. При этом возникают изменения в структуре ядрышек: их сжа­ тие, обособление фибриллярных и гранулярных зон, потеря гранулярного компонента, распад всей структуры. Эти изменения отражают степень по­ вреждения ядрышковых структур, связанных главным образом с подавлени­ ем синтеза рРНК.

Ядерный белковый матрикс

Негистоновые белки интерфазных ядер образуют внутри ядра структур­ ную сеть, которая носит название ядерный белковый матрикс, представляю­ щий собой основу, определяющую морфологию и метаболизм ядра. Ядер­ ный белковый матрикс хорошо выявляется в интерфазных ядрах после рас­ творения хроматина, экстракции ДНК и РНК. Он представлен перифериче­ ским фибриллярным слоем, подстилающим ядерную оболочку, — ламиной. Кроме того, матрикс образует внутриядерную сеть, к которой крепятся фибриллы хроматина.

77

Функциональная роль матрикса заключается в поддержании общей фор­ мы ядра, в организации не только пространственного расположения в ядре многочисленных и деконденсированных хромосом, но и в организации их активности. На элементах ядерного матрикса располагаются ферменты син­ теза РНК и ДНК. Белки ядерного матрикса участвуют в дальнейшей компактизации ДНК в интерфазных и митотических хромосомах.

Ядерная оболочка

Ядерная оболочка (nucleomembrana), или кариолемма, состоит из внешней ядерной мембраны (m.nuclearis externa) и внутренней мембраны оболочки

(m.nuclearis interna), разделенных перинуклеарным пространством. Ядерная оболочка содержит многочисленные ядерные поры (pori nucleares).

Из многих свойств и функциональных нагрузок ядерной оболочки следу­ ет подчеркнуть ее роль как барьера, отделяющего содержимое ядра от цито­ плазмы, ограничивающего свободный доступ в ядро крупных агрегатов био­ полимеров, регулирующего транспорт макромолекул между ядром и цито­ плазмой.

Мембраны ядерной оболочки в морфологическом отношении не отлича­ ются от остальных внутриклеточных мембран. В общем виде ядерная обо­ лочка может быть представлена как полый двухслойный мешок, отделяю­ щий содержимое ядра от цитоплазмы.

Внешняя мембрана ядерной оболочки, непосредственно контактирую­ щая с цитоплазмой клетки, имеет ряд структурных особенностей, позво­ ляющих отнести ее к собственно мембранной системе эндоплазматической сети: на ней со стороны гиалоплазмы расположены многочисленные поли­ рибосомы, а сама внешняя ядерная мембрана может прямо переходить в мембраны эндоплазматической сети. Одной из важных функций ядерной оболочки следует считать ее участие в создании внутриядерного порядка —

вфиксации хромосомного материала в трехмерном пространстве ядра.

Винтерфазе часть хроматина структурно связана с внутренней ядерной мембраной. Эта связь опосредуется с помощью подмембранного слоя фиб­ риллярных белков, ламины. В состав этого слоя входят белки, родственные промежуточным филаментам цитоплазмы. С этими белками специфически связываются фибриллы хроматина.

Наиболее характерными структурами ядерной оболочки являются ядер­ ные поры. Они образуются за счет слияния двух ядерных мембран. Форми­ рующиеся при этом округлые сквозные отверстия поры (annulus pori) имеют диаметр около 90 нм. Эти отверстия в ядерной оболочке заполнены слож­ ноорганизованными глобулярными и фибриллярными структурами. Сово­ купность мембранных перфораций и этих структур называют комплексом поры (complexus pori) (рис. 22). Такой сложный комплекс поры имеет октагональную симметрию. По границе округлого отверстия в ядерной оболочке располагаются три ряда гранул по 8 в каждом: один ряд лежит со стороны ядра, другой —■со стороны цитоплазмы, третий расположен в центральной части поры. Размер гранул около 25 нм. От этих гранул отходят фибрилляр­

ные отростки. Размеры пор данной клетки стабильны, так же как стабилен размер ядерных пор клеток разных организмов.

Комплекс ядерной поры в функциональном отношении представляет со-

78

Рис. 22. Строение комплекса поры (схема).

1 — перинуклеарное пространство; 2 — внутренняя ядерная мембрана; 3 — наруж­ ная ядерная мембрана; 4 — периферические гранулы; 5 — центральная гранула; 6 — фибриллы, отходящие от гранул; 7 — диа­ фрагма поры; 8 — фибриллы хроматина.

бой сложную систему, которая активно участвует не только в рецепции транспортируемых макромолекул (белков и нуклеопротеидов), но и собст­ венно в актах их переноса, транслокации, при которых используется АТФ. В состав каждого комплекса ядерной поры входит несколько сотен различ­ ных белков.

Число ядерных пор зависит от метаболической активности клеток: чем интенсивнее синтетические процессы в клетках, тем больше пор на единицу поверхности клеточного ядра. Так, у эритробластов (клеток-предшественни- ков ядерных эритроцитов) низших позвоночных животных во время интен­ сивного синтеза и накопления гемоглобина обнаруживается в ядре около 30 ядерных пор на 1 мкм2. После того как эти процессы заканчиваются, в яд­ рах зрелых клеток — эритроцитов прекращается синтез ДНК и РНК и ко­ личество пор снижается до 5 на 1 мкм2. В ядерных оболочках полностью зрелых сперматозоидов поры не обнаруживаются. В среднем на одно ядро приходится несколько тысяч поровых комплексов.

Воспроизведение клеток

Клеточный цикл

Один из постулатов клеточной теории гласит, что увеличение числа кле­ ток, их размножение происходят путем деления исходной клетки. Делению клеток предшествует редупликация их хромосомного аппарата, синтез ДНК. Это правило является общим для прокариотических и эукариотических кле­ ток. Время существования клетки как таковой, от деления до деления или от деления до смерти, обычно называют к л е т о ч н ы м ц и к л о м (cyclus cellularis).

Во взрослом организме высших позвоночных клетки различных тканей и органов имеют неодинаковую способность к делению. Встречаются популя­ ции клеток, полностью потерявшие свойство делиться. Это большей частью специализированные, дифференцированные клетки (например, зернистые лейкоциты крови). В организме есть постоянно обновляющиеся ткани — различные эпителии, кроветворные ткани. В таких тканях существует часть

79

Рис. 23. Клеточный цикл (схема). Объяснение в тексте.

клеток, которые постоянно делятся, заменяя отработавшие или погибающие клеточные типы (например, клетки базального слоя покровного эпителия, клетки крипт кишечника, кроветворные клетки костного мозга). Многие клетки, не размножающиеся в обычных условиях, приобретают вновь это свойство при процессах репаративной регенерации органов и тканей. Раз­ множающиеся клетки обладают разным количеством ДНК в зависимости от стадии клеточного цикла. Это наблюдается при размножении как соматиче­ ских, так и половых клеток.

Как известно, половые мужские и женские клетки несут единичный (га­ плоидный) набор хромосом и, следовательно, содержат ДНК в 2 раза мень­ ше, чем все остальные клетки организма. Такие половые клетки (спермато­ зоиды и ооциты) с единичным набором хромосом называют гаплоидными. Плоидность обозначают буквой п. Так, клетки с 1 п гаплоидны, с 2 п дип­ лоидны, с 3 п триплоидны и т. д. Соответственно количество ДНК на клет­ ку (с) зависит от ее плоидности: клетки с 2 п числом хромосом содержат 2 с количества ДНК. При оплодотворении происходит слияние двух клеток, ка­ ждая из которых несет 1 п набор хромосом, поэтому образуется диплоидная (2 п, 2 с) клетка-зигота. В дальнейшем в результате деления диплоидной зи­ готы и последующего деления диплоидных клеток разовьется организм, клетки которого (кроме зрелых половых) будут диплоидными.

При изучении клеточного цикла диплоидных клеток в их популяции встречаются как диплоидные (2 п), так и тетрагагоидные (4 п) и интерфаз­ ные клетки с промежуточным количеством ДНК. Такая гетерогенность оп­ ределяется тем, что удвоение ДНК происходит в строго определенный пе­ риод интерфазы (periodus intermitoticus), а собственно к делению клетки приступают только после этого процесса.

Весь клеточный цикл состоит из 4 отрезков времени: собственно митоза (М), пресинтетического (GO, синтетического (S) и постсинтетического (G2) периодов интерфазы (рис. 23). В С,-периоде, наступающем сразу после де­ ления, клетки имеют диплоидное содержание ДНК на одно ядро (2 с). По­ сле деления в период G, в дочерних клетках общее содержание белков и РНК вдвое меньше, чем в исходной родительской клетке. В период G, на­ чинается рост клеток главным образом за счет накопления клеточных бел­ ков, что обусловлено увеличёнием количества РНК на клетку. В этот пери­ од начинается подготовка клетки к синтезу ДНК (S-период).

Обнаружено, что подавление синтеза белка или иРНК в С,-периоде предотвращает наступление S-периода, так как в течение G,-периода про­

80